Method Article

Üç Boyutlu Hızlı Kuvvet Haritalaması Kullanarak Katı-Sıvı Arayüzlerinde Çözüm Yapısını Görselleştirme

DOI:

10.3791/62585

⸱

August 6th, 2021

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Physical and Computational Sciences Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 2Department of Materials Science and Engineering, University of Washington, 3Department of Chemical Engineering, University of Washington, 4Department of Chemistry, Washington State University, 5CUNY City College of New York

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Burada, arayüzey bölgesindeki uç-numune etkileşimlerini haritalayarak nanometre altı çözünürlüğe sahip katı-sıvı arayüzlerinde çözelti yapısını görselleştirmek için üç boyutlu hızlı kuvvet haritalamasını - bir atomik kuvvet mikroskobu tekniği - kullanmak için bir protokol sunuyoruz.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Çeşitli araştırma alanlarındaki zorluklar arasında, katı-sıvı arayüzlerinin görselleştirilmesi ve bunların iyon konsantrasyonları, pH, ligandlar ve eser katkı maddeleri gibi çözelti koşullarından ve ayrıca altta yatan kristalografi ve kimyadan nasıl etkilendiğinin anlaşılması yer almaktadır. Bu bağlamda, üç boyutlu hızlı kuvvet haritalama (3D FFM), arayüzlerde çözüm yapısını araştırmak için umut verici bir araç olarak ortaya çıkmıştır. Bu yetenek, atomik kuvvet mikroskobuna (AFM) dayanır ve arayüzey bölgelerinin nanometre altı çözünürlükle üç uzamsal boyutta doğrudan görselleştirilmesine izin verir. Burada, 3D FFM verilerini elde etmek için deneysel protokolün ayrıntılı bir açıklamasını sunuyoruz. Numuneye ve uygulamaya bağlı olarak çalışma parametrelerini optimize etmek için ana hususlar tartışılmaktadır. Ayrıca, ölçülen alet gözlemlenebilirlerinin yerel çözüm yapısına bağlanabilen uç-numune kuvvet haritalarına dönüştürülmesi de dahil olmak üzere veri işleme ve analiz için temel yöntemler tartışılmaktadır. Son olarak, 3D FFM veri yorumlaması ve bu tekniğin yüzey bilimi repertuarında nasıl merkezi bir araç haline gelebileceği ile ilgili bazı önemli sorulara ışık tutuyoruz.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kolloidal etkileşimler için klasik teorilerin parçalandığı bir katı-sıvı arayüzünün birkaç nanometre içinde birçok ilginç fenomen meydana gelir1. Çözücü molekülleri ve iyonları, kataliz3, iyon adsorpsiyonu 4,5, elektron transferi 6,7, biyo-moleküler düzenek8, parçacık toplama9, bağlantı 10,11 ve düzenek12,13 ....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. AFM ucunun yüklenmesi ve kalibre edilmesi

  1. Kirleticileri ve organik adsorbatları gidermek için konsol ucunu birkaç dakika art arda suya ve izopropanol çözücülere batırarak temizleyin. Temizleme için diğer yaygın yöntemler arasında argon-plazma veya ultraviyole-ozon yüzey işlemi bulunur.
    NOT: Farklı veri setlerini karşılaştırırken numune ve konsol hazırlığında tutarlı olun. Temizleme işlemindeki değişiklikler, yüzey kimyası, hidrofiliklik ve hatta şekil gibi uç özelliklerini etkileyebilir ve dolayısıyla ölçülen kuvvetleri40 etkileyebilir.
  2. Konsol tutucuyu su ve izopropanol çözücülerle d....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Şekil 2A , 3B kuvvet haritalamasının bir şemasını sunar. Genlik modülasyonlu modda çalışan diğer AFM tekniklerine benzer şekilde, salınımlı bir konsol yüzey boyunca taranır. Her koordinattaki uç yüksekliğine ek olarak, uç yüzeye yaklaştıkça ve yüzeyden geri çekildikçe faz kayması ve genlik gibi alet gözlemlenebilirleri toplanır. Sonuç, gözlemlenebilirlerin (özellikle salınım genliği, faz kayması ve uç sapması) 3B bir veri setidir ve bu, uca uygulanan kuvvetin bir ölçümüne kolayca dönüştürüle.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

AFM ucunun seçilmesi
Herhangi bir AFM uygulamasında olduğu gibi, prob ucunun temel özellikleri rezonans frekansı, konsol boyutu, uç yarıçapı, uç malzemesi ve yay sabitidir. Bugüne kadarki hemen hemen tüm 3D FFM literatürü, sert, yüksek frekanslı uçların kullanıldığını bildirmiştir. En yaygın örnekler, daha yüksek rezonans modlarında kullanılabilen silikon bazlı uçlardır (örneğin, AC55TS, PPP-NCH, Tap300-G, vb.) uçlar14. Diğer araştırma grupları USC-F5-k30-10 karbon uçlarını ter.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar, rekabet eden finansal çıkarlar veya diğer çıkar çatışmaları olmadığını beyan ederler.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yararlı tartışmalar için Dr. Marta Kocun'a (İltica Araştırma), Dr. Takeshi Fukuma'ya (Kanazawa), Dr. Ricardo Garcia'ya (CSIC Madrid), Dr. Angelika Kühnle'ye (Bielefeld), Dr. Ralf Bechstein'a (Bielefeld), Sebastien Seibert'e (Bielefeld) ve Dr. Hiroshi Onishi'ye (Kobe) teşekkür ederiz.

3D FFM deney protokolünün geliştirilmesi, ABD Enerji Bakanlığı (DOE), Bilim Ofisi (SC), Temel Enerji Bilimleri Ofisi (BES) tarafından finanse edilen bir Enerji Sınırı Araştırma Merkezi olan IDREAM'in (Radyoaktif Ortamlarda ve Malzemelerde Arayüzey Dinamikleri) bir parçası olarak desteklenmiştir. 3D FFM veri analizi kodunun geli....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
AC55TS AFM ucuOlympus
Cypher VRS Atomik Kuvvet Mikroskobuİltica Araştırma
PPP-NCH AFM ucuNanosensörler
Tap300-G AFM ucuBütçe Sensörleri
USC-F5-k30-10 AFM ucuNanoworld
(AFM uç seçeneklerinden yalnızca birinin gerekli olduğunu unutmayın)

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Israelachvili, J. N. Intermolecular and Surface Forces. Third edition. , Academic Press. (2011).
  2. Israelachvili, J. N., Pashley, R. M. Molecular layering of water at surfaces and origin of repulsive hydration forces. Nature. 306, (1983).
  3. Bentley, C. L., Kang, M., Unwin, P. R.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Solid Liquid InterfacesSolution StructureThree Dimensional MappingFast Force MappingAtomic Force MicroscopyInterfacial VisualizationTip Sample Force MapsSurface ScienceData ProcessingCrystallography Chemistry
Video Coming Soon

Related Articles